【儀表網(wǎng) 儀表科普】通過量化工況，儀表在工業(yè)過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其測量會影響產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)營安全。所有儀表，即使是最精確的儀表，都會表現(xiàn)出一定程度的測量誤差，即測量值和參考值之間的差異。
誤差的大小取決于儀表的類型、功能和工況，并且誤差通常會隨時間的增加而增加。因此，一般需要對這些誤差進(jìn)行量化，以確定測量是否足夠可靠，是否能夠達(dá)到其預(yù)期目的。
盡管校準(zhǔn)對于準(zhǔn)確、高效和安全的生產(chǎn)至關(guān)重要，但如果處理不當(dāng)，校準(zhǔn)可能耗時且成本高昂，還會導(dǎo)致停機(jī)并引發(fā)事故。為了確定測量可靠性、工廠效率和過程安全的最佳平衡，定義每個儀表的精度要求以及必須校準(zhǔn)儀表的頻率至關(guān)重要。
過于頻繁的校準(zhǔn)會浪費(fèi)企業(yè)資源并造成計劃內(nèi)停機(jī)過多，但儀表校準(zhǔn)過少，則會對產(chǎn)品質(zhì)量、合規(guī)性和安全產(chǎn)生不利影響，同時增加計劃外停機(jī)的可能性。
校準(zhǔn)與驗(yàn)證
校準(zhǔn)是在定量測量和已知參考之間建立關(guān)系的過程。驗(yàn)證通常是提供客觀證據(jù)的定性規(guī)定，證明給定的測量滿足規(guī)定的要求。
校準(zhǔn)測試的目標(biāo)，是確定給定設(shè)備(被測單元)的測量誤差。一旦知道測量誤差，被測試單元就可以用作校準(zhǔn)另一個儀表的參考，主儀表驗(yàn)證是這種做法的常見案例。該校準(zhǔn)鏈必須始終指向國家或國際主要參考，以保證計量的可追溯性(圖1)。
圖1 ：儀表校準(zhǔn)對參考標(biāo)準(zhǔn)的可追溯性， 可以確保校準(zhǔn)的有效性。
驗(yàn)證的概念更為廣泛， 通常指將校準(zhǔn)結(jié)果與特定要求進(jìn)行比較， 以確定合規(guī)性。用于驗(yàn)證的最常見要求是最大允許誤差(MPE)，由制造商、計量機(jī)構(gòu)、最終用戶或監(jiān)管機(jī)構(gòu)定義。如果通過校準(zhǔn)確定的設(shè)備測量誤差小于MPE，則儀表滿足規(guī)定要求并通過驗(yàn)證測試(圖2)。
圖2 ：基于流量計最大允許誤差(MPE)的驗(yàn)證測試。
通常情況下，MPE 通過臨界評估和每個儀表測量誤差的后果來確定。MPE 與監(jiān)管要求相結(jié)合，通常用于確定校準(zhǔn)頻率和程序。
具有嚴(yán)格M P E 的儀表, 通常必須在嚴(yán)格的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試，但對于MPE 不太嚴(yán)格的儀器，評估人員可以采用破壞性較小的校準(zhǔn)方法，甚至在線驗(yàn)證。
對于受支持的專用儀表，在線驗(yàn)證降低了校準(zhǔn)頻率，從而提高了工廠的可用性，同時還可以降低運(yùn)輸過程中損壞的風(fēng)險，以及必須將儀表從過程中移除然后重新安裝到過程中出錯的風(fēng)險。此外，隨著時間的推移，這種更為頻繁且易于使用的驗(yàn)證方法，使運(yùn)行人員能夠跟蹤儀表的性能，提供測量漂移的早期預(yù)警，從而減少計劃外停機(jī)時間。
儀表校準(zhǔn)間隔
校準(zhǔn)間隔定義為兩次校準(zhǔn)之間的時間。校準(zhǔn)間隔應(yīng)根據(jù)儀表的關(guān)鍵性和測量誤差漂移到可接受范圍之外的風(fēng)險來確定，但通常情況并非如此(圖4)。
圖4 ：儀表測量誤差的風(fēng)險，隨著時間的推移而增加，應(yīng)確定校準(zhǔn)間隔，以將該誤差保持在可接受的范圍內(nèi)。
實(shí)際上，大多數(shù)校準(zhǔn)間隔是使用反應(yīng)性方法確定的，在這些方法中，最初的校準(zhǔn)間隔設(shè)置在一個方便的頻率，然后根據(jù)先前校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。該程序的問題是，它不試圖建模或預(yù)測隨時間變化的測量可靠性。
在建立滿足可靠性目標(biāo)的時間間隔方面，反應(yīng)性方法通常不如統(tǒng)計方法有效，并且通常需要數(shù)年才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
流量計和移動校準(zhǔn)
通常通過濕法標(biāo)定( w e t c a l i b r a t i o n)，來滿足對分析傳感器進(jìn)行定期檢查的法規(guī)要求，這需要將傳感器(如pH 或電導(dǎo)率探針)浸入到參考溶液中。對于流量計來說，必須使用過程介質(zhì)生成一個已知的流速。
這類濕法標(biāo)定很容易在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室中環(huán)境受控，儀表可及，且具備必要的設(shè)備。但在生產(chǎn)系統(tǒng)中，通常不具備上述條件，因此在實(shí)驗(yàn)室中執(zhí)行的相同校準(zhǔn)程序，在生產(chǎn)環(huán)境中通常無法發(fā)揮作用。
在過程工廠中，濕法標(biāo)定還有另外一個缺點(diǎn)：傳感器通常必須從過程中移除，并發(fā)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證，然后運(yùn)回工廠并在校準(zhǔn)后重新安裝。在這個過程中，可能會發(fā)生運(yùn)輸或誤操作損壞，并且無法檢測到這些損壞，從而導(dǎo)致最新校準(zhǔn)的儀表無法根據(jù)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證的結(jié)果運(yùn)行。
為了將過程影響降至最低，許多設(shè)施選擇在現(xiàn)場校準(zhǔn)溫度、壓力和分析儀表，但因?yàn)榱髁坑嬓?zhǔn)需要專用設(shè)備，必須將其送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)。但工廠人員還有另外一種選擇：在現(xiàn)場使用經(jīng)認(rèn)證的、配置了移動校準(zhǔn)裝置的流量校準(zhǔn)器(圖5)。
圖5 ：現(xiàn)場校準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的估計時間比較。
這種類型的現(xiàn)場儀表校準(zhǔn)具有如下優(yōu)勢：
● 提高工廠可用性；
● 無需拆卸和裝運(yùn)設(shè)備；
● 與實(shí)驗(yàn)室中檢測到的錯誤相比，為錯誤源提供了更多的情境信息；
● 將額外庫存和備件的需求降至最低，因?yàn)楸恍?zhǔn)的儀表停止使用并重新投入使用的時間較短。
這種移動方式方便且經(jīng)濟(jì)高效，無需將儀表運(yùn)送到異地。但是，在儀表停止使用，以及在重新布線和恢復(fù)服務(wù)期間，當(dāng)需要打開主要工藝回路和停用電子設(shè)備時，技術(shù)人員仍必須采取預(yù)防措施。
智能儀表和技術(shù)進(jìn)步
現(xiàn)代智能傳感器通常設(shè)置為可以存儲校準(zhǔn)記錄，有些傳感器甚至可以執(zhí)行自校準(zhǔn)。例如，現(xiàn)代制藥級蒸汽就地溫度傳感器，就包含一個高精度基準(zhǔn)，被稱為“居里點(diǎn)”(又作居里溫度)，在蒸汽就地滅菌循環(huán)期間，該基準(zhǔn)在特定的居里溫度下會發(fā)生突然的鐵磁變化。可以通過電子方式檢測到特性變化，在達(dá)到居里溫度時觸發(fā)自動過程值檢查點(diǎn)(圖6)。
圖6 ：自校準(zhǔn)溫度傳感器，通過在每個蒸汽就地循環(huán)期間進(jìn)行自檢，消除了手動校準(zhǔn)停機(jī)時間，為關(guān)鍵過程提供了準(zhǔn)確的測量保證。
雖然流量計無法實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)技術(shù)，但許多其它技術(shù)進(jìn)步正在簡化校準(zhǔn)和驗(yàn)證程序，并提高測量的完整性。這些進(jìn)步包括：
● 具有可拆卸傳感器的儀表，因此接線保持完整，減少電氣重新布線的錯誤。
● 傳感器存儲校準(zhǔn)證書，與手持維護(hù)設(shè)備同步，用于審查和審計跟蹤。
● 預(yù)先校準(zhǔn)的傳感器可以快速輕松地更換，減少停機(jī)時間。
● 現(xiàn)場測試方法，支持在線驗(yàn)證。
● 內(nèi)置傳感器自診斷，提供故障預(yù)警。
● 智能變送器可連續(xù)掃描問題，在傳感器需要清潔或校準(zhǔn)時提醒運(yùn)行人員。
關(guān)于校準(zhǔn)和驗(yàn)證的建議
關(guān)于校準(zhǔn)和驗(yàn)證關(guān)鍵點(diǎn)的簡要概述包括：
● 校準(zhǔn)具有定量結(jié)果。
● 通常，驗(yàn)證報告以定性方式發(fā)布，例如通過- 失敗標(biāo)準(zhǔn)。
● 校準(zhǔn)后的驗(yàn)證確保了設(shè)備測量的最高質(zhì)量。
● 可以在兩次校準(zhǔn)之間進(jìn)行無校準(zhǔn)的驗(yàn)證，通常可以延長所需的校準(zhǔn)間隔。
● 認(rèn)證校準(zhǔn)和驗(yàn)證程序中需要可追溯性。
當(dāng)今的許多儀表具有診斷問題、執(zhí)行驗(yàn)證和生成可審計報告的內(nèi)置功能，簡化了校準(zhǔn)和驗(yàn)證相關(guān)任務(wù)，并減少了手動干預(yù)和工廠停機(jī)要求。當(dāng)在線校準(zhǔn)不可行時，更少、更快的離線校準(zhǔn)可以提高設(shè)備的整體效率。
這些智能儀表使工廠人員能夠?qū)崿F(xiàn)最大的正常運(yùn)行時間，同時保持合規(guī)性并維護(hù)最高水平的安全性。從某種程度來說，企業(yè)的競爭優(yōu)勢取決于準(zhǔn)確的測量和高效的生產(chǎn)，通過優(yōu)化校準(zhǔn)程序和盡可能使用在線驗(yàn)證，工廠人員可以確保盈利、合規(guī)和安全運(yùn)行。(作者：Adam Booth)
關(guān)鍵概念：
■ 企業(yè)的競爭優(yōu)勢取決于準(zhǔn)確的測量和高效的生產(chǎn)。
■ 經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證測試，有助于確保準(zhǔn)確性并減少潛在停機(jī)時間。
■ 現(xiàn)代智能儀表通常可以存儲校準(zhǔn)記錄，有些傳感器甚至可以執(zhí)行自校準(zhǔn)。
思考一下：
您多久對過程儀表進(jìn)行一次測試，并采取哪些預(yù)防措施來減少停機(jī)時間？
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